科學家發現,一種古老且珍貴的氣體,正從地球內部不斷地釋放出來

現代人類上得了天,也下得了海,甚至在遙遠的火星上,也有人類的探測器在四處活動,然而對于地球內部到底是什麼情況,人類卻了解得很少,所以科學家一直在試圖通過各種方法去窺探隱藏在地球內部的秘密。

近日,一項來自新墨西哥大學的研究表明,科學家發現,一種古老且珍貴的氣體,正從地球內部不斷地釋放出來。

根據介紹,這種氣體是由氦-3構成的一種單原子氣體,它們之所以珍貴,主要有兩方面的原因,一個原因是氦-3在地球上極為罕見,要知道氦只有氦-3和氦-4這兩種穩定同位素,而根據此前的研究,在地球上所有的氦中,氦-3所占的比例僅為0.000137%,地球上的氦本來就少之又少,氦-3的稀有程度可想而知。

(注:氦-3的原子核包含一個中子和兩個質子,而氦-4的原子核則比氦-3多了一個中子)

另一個原因則是,氦-3在核聚變反應過程中釋放出的能量非常可觀,并且絕對不會釋放中子,因此氦-3被認為是非常理想的核聚變燃料。

科學家發現,這些氦-3來自于地球內部,它們不斷地從海洋底部的「洋中脊」釋放出來,估計每年會有大約2000克氦-3從地球內部逃逸,看上去這個數值似乎不值一提,但以氦-3的稀有程度來看,這其實是相當可觀的。

在地球上,氦-3的來源只要有兩種,第一種是地球誕生之初就自帶的。

第二種則與宇宙射線有關,具體來講就是:宇宙射線中的快中子會與地球大氣層中的氮-14原子核發生反應,并生成碳-12和氚,而氚是氫的一種放射性同位素,會發生β衰變,其半衰期大約為12.43年,氚的原子核包含二個中子和一個質子,在發生衰變之后,其中的一個中子會轉變成質子,其原子序數加1,從而衰變成氦-3。

由于第二種來源的氦-3數量極少,并且只存在于地球外層,也就意味著,從地球內部釋放出來的氦-3只可能是地球誕生之初所自帶的,可以說是非常古老了。

我們知道,地球的內部結構大致可分為地殼、地幔和地核,其中地幔和地核都可以算是「地球內部」,為了搞清楚這些古老且珍貴的氣體到底有多少來自于地幔,有多少來自地核,科學家以目前的主流觀點進行了建模研究。

根據科學界的主流觀點,太陽系形成于一片巨大的原始星云,這被稱為「太陽星云」,在大約46億年前,這片星云發生了引力坍縮,隨著坍縮過程的持續,星云中的物質不斷地聚集,密度也越來越高,最終在其中心物質最密集的區域形成了太陽,而星云的殘留物質則逐漸形成了太陽系中的其他天體,其中就包括地球,也就是說,地球內部的氦-3,其實就來自于「太陽星云」。

地球形成于大約45.5億年前,在它形成之后不久(大約45億年前),一顆與現在的火星差不多大的行星撞上了地球,此次撞擊的結果是,這顆行星被撞得粉身碎骨,其致密的核心則融入了地球,另一方面,猛烈的撞擊拋出了大量的物質,這些物質一邊圍繞地球運行,一邊互相吸積,并最終形成了月球。

建模研究的結果表明,在上述的撞擊過程中,地球地幔中的氦-3基本上會流失殆盡,只有地核中的氦-3才可以大量保存下來,在接下來的時間里,地核就一直在緩慢地釋放出氦-3,并一直持續到現在。

科學家表示,如果該模型是正確的,那麼現在的地核中就仍然保存著大量的氦-3,其最小數量級為10^12(克),最大數量級則為10^15(克),而它們的來源,還可以追溯到更加遙遠的過去——宇宙誕生之初。

根據大爆炸宇宙論,宇宙誕生之初有一個「原初核合成」,其時間范圍在「宇宙大爆炸」發生后10秒鐘至35分鐘之間,在這段時間里,宇宙中生成了大量的氦元素,其中就有占比極少的氦-3,而「太陽星云」中的絕大部分氦-3,就是來自于此。

來自宇宙誕生之初的一種古老且珍貴的氣體,現在正從地球內部不斷地釋放出來,不得不說,這實在是一件很奇妙的事情,期待在進一步的研究工作中,科學家能夠揭開隱藏在地球深處的更多秘密。

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